Создание хлопкоподобных гигроскопичных материалов на основе отходов льняного производства

Актуальность темы

:

В области отделки текстильных материалов из природных целлюлозных волокон, в частности льняного волокна, решение проблемы создания ресурсои энергосберегающих экологически чистых технологий невозможно без совершенствования наиболее длительного материалои энергоемкого процесса их химической подготовки. При разработке современных промышленных процессов веб более заметна тенденция к переходу к экологически безопасным биотехнологическим производственным схемам.

Несмотря на широкое использование биопроцессов в различных отраслях народного хозяйства, внедрение биотехнологий в легкую промышленность сдерживается из-за отсутствия теоретически обоснованного выбора ферментов с учетом их избирательного действия на примеси льняного волокна, специфики совместимости ферментов в композиции или с другими химическими реагентами. Современная микробиологическая промышленность и научно-исследовательские энзиматические лаборатории предлагают ферментные препараты различной активности, пригодные для глубокой конверсии примесей и загрязнений волокон растительного происхождения, а также поверхностной модификации волокон без существенного нарушения их структуры и прочностных характеристик. Решение задачи практической реализации этих рекомендаций невозможно без всестороннего изучения особенностей биохимических превращений, полноты и скорости удаления примесей льняного волокна, выяснения изменений его структуры в процессе биообработки, научно-обоснованного выбора ферментных препаратов и их композиций, а также оптимальных режимов осуществления биопроцессов в условиях текстильного производства.

Не менее важным и значимым для поиска путей выхода текстильной промышленности России из кризиса является решение проблемы частичной замены хлопкового волокна на котонин, полученный из отходов льняного производства. Одним из объёмных отходов (60−80%) при получении длинноволокнистого льна является короткое льняное волокно, которое лишь на 30% используется для переработки в ткани технического назначения.

Создание рентабельных и экологически оправданных технологий получения хлопкоподобных льняных волокон позволит производить высококачественное натуральное волокно, не превышающее по стоимости хлопковое, повысить степень использования льняного волокна, значительно расширить ассортимент выпускаемой продукции на хлопчатобумажных, льняных предприятиях и ватном производстве [1]. Основными требованиями при создании технологии получения котонина различной белизны являются повышение выхода целевого продукта за счет минимизации потерь при химическом воздействии и механической обработке, снижение энергозатрат и расхода технологической воды при производстве.

Настоящая работа посвящена разработке научных основ создания энергои ресурсосберегающих технологических процессов подготовки низкосортных льняных материалов на базе использования ферментных препаратов отечественного и импортного производства и направлена на выполнение программ: Научно-техническая программа Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы в области новых материалов» подпрограмма 202 «Новые материалы»: раздел 202.02-Лечебные текстильные материалы: «Разработка высоких технологий производства текстильных материалов на основе новых видов волокнистого сырья, химических препаратов и физико-химических воздействий» (1998;1999 гг.) — раздел 202.08-Новые текстильные и кожевенные материалы улучшенного качества: «Биохимическая котонизация отходов льнопроизводства и получение текстильных материалов бытового и специального назначения» (1999;2000 гг.) — единый заказ наряд по ПНИЛ № 2: «Создание теоретических основ и прогрессивных технологий обработай тканей на базе использования биохимических и каталитических систем, новых приёмов физического воздействия на волокно, красители и ТВВ» (1999 г) — хоздоговорная тема с АО «Ивхимпром» «Создание препаратов и технологий для текстильной промышленности»: «Разработка препарата для мягчения с эффектом полировки льняных материалов» (2000 г) — хоздоговорная тема с л/к им. Зворыкина (г. Кострома): «Разработка технологических режимов подготовки льносодержащих материалов с использованием ферментативных препаратов, обеспечивающих эффект мягчения» (2000 г).

Цель работы состояла в теоретическом обосновании и разработке энергои ресурсосберегающих биохимических технологий получения отбеленных гигроскопичных хлопкоподобных материалов на основе отходов льняного производства и создании композиционных ферментсодержащих составов, обеспечивающих наиболее полное освобождение льняных волокон от примесей и загрязнений различной природы.

Для решения поставленной задачи были выполнены следующие исследования:

— изучена взаимосвязь технологических параметров ферментативной обработки и пероксидного беления и качественных показателей низкосортного льняного волокна методом математического моделирования;

— оценена эффективность действия ферментов различной субстратной активности на капиллярность и поглотительную способность льняного волокна в зависимости от длительности процесса;

— изучены особенности химических превращений сопутствующих примесей льняного волокна и повреждения целлюлозы в процессе ферментативного воздействия и последующего пероксидного беления;

— создана композиция ферментов пектолитической и целлюлатической активности, обеспечивающая получение льняного волокна со степенью очистки от сопутствующих примесей, сопоставимой с результатами щелочной отварки;

— разработана рациональная технология получения отбеленных льняных волокон с использованием биопроцессов, предусматривающая замену высокотемпературной щелочной отварки, проведено её апробирование.

Общая характеристика объектов и методов исследования.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях с последующей проверкой полученных результатов в производстве. Основной эксперимент выполняли на чёсаном коротком льняном волокне № 2−3 Палехского льнозавода (Ивановская обл.). В работе также использовали: очёсы мокрого прядения (г. Борисов) — короткое льняное волокно, обработанное по механической технологии разволокнения в ленте и в массе (КГТУ, г. Кострома) — нетканый прошитый иглопробивной материал (г. Меленки, Владимирская обл.) — нетканый материал (г. Кострома, АО «Большая Костромская льняная Мануфактура») — очёс льняной № 2, очёс льняной № 6, очёс льняной № 10, льнопеньковолокно № 9 (Гаврилов-Ямский л/к) — очёс льняной № 2, очёс льняной № 6 (г. Кострома, л/к им. Зворыкина).

В качестве биопрепаратов использовали отечественные ферменты промышленного производства, препараты фирмы Novo Nordisk (Дания) и препараты, представленные кафедрой энзимологии МГУ.

Экспериментальные исследования проводили с применением современных методов физико-химического анализа: УФи ИК-спектроскопии, вискозиметрии, электронной растровой микроскопии. Прочие экспериментальные исследования проводились в соответствии с требованиями ГОСТ с использованием стандартных методик оценки качества текстильных волокон (ГОСТ 38 162−81) и волокон специального назначения (ГОСТ 5556−81, вата медицинская гигроскопическая).

Оптимизация технологических параметров обработки выполнена методом математической пода-сплайн-интерполяции с использованием алгоритмов [2].

Научная новизна.

Впервые всесторонне исследована эффективность использования ферментов с различной субстратной активностью и их композиций в качестве катализаторов процесса удаления сопутствующих примесей отходов льняного производства в технологиях получения отбеленных гигроскопичных материалов бытового и специального назначения.

Показано, что в сравнительно мягких условиях ферментативной обработки низкосортного льняного волокна композицией ферментов пектоли-тической и целлюлатической активности происходит эффективное удаление нецеллюлозных примесей и котонизация волокна, обеспечивающие повышение сорбционной восприимчивости и реакционной способности по отношению к белящим реагентам.

Оценена степень делигнификации льняного волокна и степень повреждения целлюлозы в процессе ферментативной обработки композиционным составом и последующего пероксидного беления.

Выявлены кинетические закономерности изменения гигроскопических свойств льняного волокна, полученного по двухстадийной биохимической технологии.

Методом программного моделирования эксперимента проведена оптимизация технологических параметров ферментативной обработки и последующего пероксидного беления льняного волокна.

Разработан биохимический способ получения отбеленного котонина, предусматривающий замену высокотемпературной щелочной отварки биообработкой с использованием полиферментной композиции. Новая технология позволяет получить отбеленное льняное волокно с высокими потребительскими свойствами более экономичным и экологичным способом.

Принципиальная новизна биохимического способа получения льняной ваты подтверждена положительным решением о выдаче патента РФ на изобретение по заявке № 99 104 687/12.

Практическая значимость работы.

На основании анализа полученных экспериментальных данных создана биохимическая технология обработки короткого льняного волокна для получения гигроскопических материалов бытового и специального назначения.

Проведена полупроизводственная проверка ферментативной подготовки льняной ровницы и котонина льна на аппарате СеПеЬаЩ йс ЬИсоиу в условиях ЗАО «Большая костромская мануфактура» .

Совместно с ООО «Медснаб» (Белоруссия, Г. Борисов) получены образцы льняной ваты в условиях ватной фабрики, проведены полупроизводственные испытания технологии получения льняной ваты по технологии с использованием предварительной низкотемпературной ферментативной обработки.

Технология получения хлопкоподобного льняного волокна с предварительной ферментативной обработкой апробирована в условиях АО «Меланж» (г. Иваново). Полученный полуфабрикат может быть использован в прядении в смеси с хлопковым волокном на действующем оборудовании хлопчатобумажного производства или для изготовления нетканых материалов специального назначения.

Автор защищает:

— теоретическое и экспериментальное обоснование эффективности использования композиции ферментов с различной субстратной активностью в технологиях получения материалов бытового и специального назначения (прядомого котонина, ватных полуфабрикатов и нетканых изделий);

— выявленные особенности удаления примесей целлюлозы льна под воздействием биокаталитических систем;

— новые композиционные биопрепараты и разработанные на их основе энергосберегающие технологические режимы получения отбеленного котонина из короткого льняного волокна.

Апробация работы.

Основные результаты работы доложены на Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Про-гресс-98, Прогресс-99), г. Иваново 1998 г., 1999 г.- на XXXVI Международной научной конференции молодых ученых, г. Новосибирск 1998 г.- на VII Международной конференции «Проблемы сольватации и комплексообра-зования в растворах», г. Иваново 1998 г.- на Международной научно-технической конференции «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений», г. Казань 1998 г.- на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях» (Лён-98) и (Лён-2000), г. Кострома 1998 г., 2000 г.- на II Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы химии и химической технологии», весенняя сессия, осенняя сессия «Химия-99», г. Иваново 1999 г.- на Межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Дни науки-99», г. Санкт-Петербург 1999 г.- на Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности», (Текстиль-99) г. Москва 1999гна Интернациональном семинаре «Textile science for XXI century» June 8−9, 1999 Guiumaraes, Portugalна Интернациональной конференции «TEXSCI' 2000» June 12−14, Czech Republic. Материалы исследования экспонировались на выставке Минобразования РФ «Прикладная технология», на стенде «Биотехнология котонизации отходов льнопроизводства», Москва 1999 г.

Вследствие жёстких условий работы текстильных и ватных предприятий России, отсутствия в достаточном количестве сырья, необходимости энергои ресурсоэкономии появилась острая необходимость поиска новых альтернативных технологий химической переработки отходов льнопроиз-водства и технических решений по замене хлопкового волокна более дешёвым льняным котонином, т. е. льняным волокном, по свойствам и химическому составу приближенным к хлопковому волокну.

В последнее время активизировалось направление по использованию отходов первичного производства льняной промышленности, не пригодных для технологии мокрого прядения, но являющихся ценным сырьём для получения прядомого котонина и льняной ваты. На отечественных заводах первичной обработки льносырья выделяется до 60−75% отходов трепания, более 50% короткого льняного волокна. В сезон 1998;1999г. в виду неблагоприятных климатических условий доля длинного льняного волокна в общей массе биологического урожая составляла менее 10%. Лен является исконно русской культурой с очень высокой степенью полимеризации молекул целлюлозы, практически единственным в России ежегодно возобновляемым источником натурального целлюлозного сырья [1,2]. Поэтому глубина переработки и степень использования короткого льняного волокна является задачей весьма актуальной.

В ходе маркетинговых исследований наблюдается тенденция в спросе рынка на товары из короткого льняного волокна, например, прядомого штапелированного котонина, котонина химико-механического способа разволокнения, медицинской ваты, нетканых перевязочных материалов и льняных волокон в качестве сорбента лекарственных препаратов [3,4].

В то же время, в условиях стихийного рынка РФ цены на исходное сырьё — короткое льняное волокно — возросли в 1,5−2 раза, возрос и налог на добавочную стоимость (НДС). Использование механо-химических технологий модификации льняного волокна до хлопкоподобного приводит к значительным затратам на обработку в виду высокого расхода технологической воды на промывку от химических реагентов, необходимости поддержания температур на уровне 98−102 °С. Неселективное воздействие химических катализаторов в варочных и белящих растворах приводит к деструкции целлюлозной составляющей и в результате не обеспечивает высокого выхода целевого продукта. Это приводит к высокой себестоимости полученного волокна, что недопустимо в рыночных условиях ведения хозяйства.

Перспективным направлением создания ресурсои энергосберегающих технологий получения гигроскопичных материалов на основе льняного котонина может быть использование биохимических процессов. Уникальная способность ферментов при малых концентрациях катализировать процессы деградации субстратов в сравнительно низкотемпературных условиях и нейтральных средах предопределяет построение технологии по принципам экологичности, энергои ресурсосбережения, что является весьма актуальным для современного производства.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

Выводы по работе:

1 .Методом математической пода-сплайн-интерполяции проведена оптимизация температурно-временных параметров ферментно-пероксидной технологии получения хлопкоподобных гигроскопичных материалов с использованием Пектофоетидина. Выбраны оптимальные условия ферментативной обработки: температура 48−50°С, длительность процесса 60 мин., обеспечивающие при последующем пероксидном белении требуемые значения белизны и капиллярности при минимальных потерях массы.

2&bdquo-Проведено исследование влияния концентрации фермента на качественные показатели и физико-химические характеристики биообработан-ного и отбеленного волокна. Показано, что оптимальной концентрацией, при которой происходит расщепление волокна на более тонкие комплексы, но исключена возможность образования при последующем пероксидном белении пуховых волокон, можно считать концентрацию 0,5−0,75 г/л.

3.Впервые выявлены зависимости изменения гигроскопических свойств льняных волокон в динамике ферментативных обработок. Установлено, что капиллярность волокна в большей степени определяется процессом котонизации и изменением капиллярно-пористой структуры волокна, а поглотительная способность — удалением гидрофобных примесей волокна и модификацией самой целлюлозы. Результаты поглотительной способности приближаются по значениям к результатам беления по щёлочно-пероксидному способу и достигаются при использовании композиции ферментов СеНивой+Ркхгуте за счёт максимального удаления гидрофобных примесей и котонизирующего эффекта.

4.Изучено влияние ферментов различной субстратной активности на полноту удаления примесей льняного волокна в процессе биообработки и последующего пероксидного беления. Экспериментально обоснована целесообразностъ использования композиции ферментов для освобождения льняного волокна от нецеллюлозных компонентов. Показано, что в результате ферментативной обработки композициями ферментов и последующего пероксидного беления удаляется до 93% пектиновых веществ, до 50% гемицеллюлоз, до 92% воскообразных веществ.

5.Методом ИК — и УФ-спектроскопии оценено действие различных ферментов на лигниный компонент льняного волокна.

Впервые показана возможность удаления лигнина при обработке композицией ферментов, включающей пектиназы и целлюлазы. Сделано предположение, что лигноразрушающее действие обусловлено нарушением стабильной системы внутримолекулярных связей системы целлюлоза-лигнин-полисахариды в результате гидролитического распада пектиновых веществ и гемицеллюлоз.

6.Методами химического анализа, вискозиметрии и электронной микроскопии выявлено, что при белении льняного волокна, предварительно обработанного композицией ферментов СеИивой и Р1ахгуте, наблюдается поверхностная модификация льняной целлюлозы.

7.Совместно с АО «Химпром» разработан новый биокомпозиционный препарат — Биософт для котонизации отходов льняного производства, включающий ферменты различной субстратной активности и ПАВ в оптимальном соотношении.

8.Впервые разработан способ получения ваты на основе низкосортного льняного волокна, предусматривающий замену энергоёмкой операции щелочной варки на биообработку с использованием композиции ферментов. Рассчитанная себестоимость 1 кг отбеленного котонина, получаемого на оборудовании непрерывного и периодического действия, в 1,91 и 1,62 раза соответственно ниже рыночной стоимости хлопковой ваты. На предложенный способ получено положительное решение по заявке № 99 104 687/12 от 10.03.1999.

9.Совместно с ООО «Медснаб» (г. Борисов, Белоруссия) проведены полупроизводственные испытания получения льняной ваты. Полученная льняная вата соответствует требования ТУ РБ 29 079 643.001−99 на вату льняную гигроскопическую.

В условиях производства АО «Меланж» г. Иваново получены полупродукты, которые рекомендованы для получения нетканых и ватных материалов.

Совместно с АО «Большая Костромская Мануфактура» проведены полупроизводственные испытания модификации отходов льняного производства в массе и в ровнице с использованием композиции ферментов. На основе ровницы сформирована пряжа, соответствующая требованиям качества для выработки текстильных материалов бытового и специального назначения, а получаемый льняной котонин рекомендован для изготовления ватных полуфабрикатов.